为什么巨型行星的形成速度可能比预想的更快

这些发现发表在《天体物理学杂志》特刊的12篇论文中，是ALMA大型项目“ALMA原行星盘气体演化巡天”（简称AGE-PRO）的一部分。AGE-PRO观测了30个围绕类太阳恒星运行的行星形成盘，以测量不同年龄阶段的气体盘质量。研究揭示，这些盘中的气体和尘埃组分以不同速率演化。

据项目首席研究员、威斯康星大学麦迪逊分校的张柯（Ke Zhang）介绍，先前ALMA观测已研究过盘中尘埃的演化；而AGE-PRO首次追踪气体的演化，提供了行星形成盘整个生命周期中气体盘质量和尺度的首批测量数据。

"现在我们同时掌握了气体和尘埃的数据，"亚利桑那大学行星科学教授、AGE-PRO三位联合首席研究员之一的伊拉里亚·帕斯库奇（Ilaria Pascucci）表示，"观测气体要困难得多，因为它需要更长的观测时间，这就是为什么我们必须进行如此大型的项目来获取具有统计显著性的样本。"

原行星盘围绕其主恒星旋转数百万年，期间气体和尘埃不断演化并消散，这为巨行星的形成设定了时间框架。盘的初始质量和尺寸，以及其角动量，对所形成行星的类型——气态巨行星、冰巨星或迷你海王星——及行星的迁移路径具有深远影响。盘内气体的寿命决定了尘埃颗粒生长至小行星大小天体的时间尺度、行星的形成过程，以及最终行星从诞生地迁移的时间框架。

该巡天最惊人的发现之一是：随着盘的老化，其气体和尘埃以不同速率消耗，并在演化过程中经历气体-尘埃质量比的变化：与倾向于在盘内停留更长时间的尘埃不同，气体消散相对迅速，随后在盘老化过程中减缓。换句话说，行星形成盘在年轻时喷发出更多气体。

张柯表示，最令人意外的发现是：虽然大多数盘在数百万年后消散，但存活的盘所含气体比预期更多。这表明像木星这样的气态巨行星的形成时间比岩质行星更短。

ALMA独特的灵敏度使研究人员能够利用微弱的分子谱线研究盘中的冷气体——这些特征光谱波长本质上充当"指纹"，可识别不同种类的气体分子。作为首个同类大规模化学巡天，AGE-PRO针对三个年龄从100万年到600万年的恒星形成区中的30个行星形成盘：蛇夫座（最年轻）、豺狼座（100-300万年）和天蝎座上部（最年老）。通过ALMA，AGE-PRO获取了关键气体和尘埃质量示踪剂在盘演化关键阶段（从早期形成到最终消散）的观测数据。这些ALMA数据将作为不同演化阶段大型盘样本光谱线观测的综合遗产数据库。

月球与行星实验室（LPL）研究生、其中一篇论文的第一作者邓鼎山（Dingshan Deng）负责豺狼座（Lupus，拉丁语意为"狼"）恒星形成区的数据归算——本质上是从射电信号转换为盘光学图像所需的分析处理。

"多亏了这些新的长期观测，我们现在不仅能够估算并追踪该区域最亮且研究较深入盘的气体质量，还能分析更小更暗的盘，"他表示，"由于在众多先前未见气体的盘中发现了气体示踪剂，我们现在拥有一个覆盖豺狼座恒星形成区广阔盘质量范围的完善研究样本。"

"我们耗费数年才确定出恰当的数据归算方法和分析流程，以生成本文中气体质量图像及合作组多篇其他论文所需的图像，"帕斯库奇补充道。

一氧化碳是原行星盘中最广泛使用的化学示踪剂，但要精确测量盘的气体总质量，需要额外的分子示踪剂。AGE-PRO采用N₂H⁺（二氮烯离子）——星际云中用作氮气指示剂的离子——作为补充气体示踪剂，显著提高了测量精度。ALMA的探测装置还被设置为可接收包括甲醛、甲基氰及多种含氘（氢的同位素）分子在内的其他分子光谱特征。

"另一个出乎意料的发现是，不同质量盘之间的气体-尘埃质量比比预期更为一致，"邓鼎山指出，"换言之，不同尺寸的盘具有相似的气尘质量比，而文献曾提示较小盘可能更快失去气体。"

本研究由美国国家科学基金会、欧洲研究委员会、亚历山大·冯·洪堡基金会、FONDECYT（智利）等机构资助。完整资助信息请参阅研究论文。